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axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:04 AM


Projet GE4a-GE5a
Entreprise : Polytech Clermont-Ferrand / Client : . Mr Sébastien Lengagne :
Auteurs : Jean-Ferréol de Villeneuve, Ludovic Descout
Responsable Projet : Mr Sébastien Lengagne
Tuteur industriel : Mme Isabelle Goi


Résumé

La section Génie Electrique de Polytech Clermont-Ferrand a décidé de créer de nouveaux systèmes ludiques, à présenter lors des portes ouvertes de Polytech, afin d'attirer les étudiants.
C’est dans ce but que le projet Trieur de M&M’s a été envisagé. Le système va permettre de former une image grâce à des M&M’s. Les bonbons sont placés sur un plateau et un outil vient les déplacer pour que l’ensemble des M&M’s ressemble à une image désirée.
Le projet étant une vitrine du Génie Electrique, celui-ci doit regrouper un maximum de matières. Il y a par exemple la programmation en C, de l’automatisme, robotique, de la conception de carte electroniques, du traitement vidéo, ou encore de la création d’interfaces graphiques, via le logiciel Qt.
L'avant-projet nous a permis de savoir comment le système sera fait : le plateau supportant les M&M’s sera composé de bois et de mousse troué afin de les tenir, le système de déplacement des bonbons est composé d’un bras et d’un préhenseur. Le bras utilisé est un bras parallèle et le préhenseur une pompe avec électrovanne. Le plateau sera également mobile pour assister la préhension. Il y aura une webcam afin de visualiser l’ensemble du plateau et un ordinateur permettant l’affichage d’informations (le nombre de M&M’s total et par couleur, l’image à réaliser, …).


Abstract

The Electric Engineering branch of Polytech Clermont-Ferrand needs entertaining stuff to introduce the school to young learners during open days.
As a consequence, the M&M’s sorter project seemed to be the answer to this issue. He consists in making a picture with those candies, allocated randomly on a tray and a tool will move them M&M’s into a choosen picture.
This project needs to show most of school subjects of Electronic Engineering. For example, there is the C programming, automatism, robotic, computer-aided design, video processing, or even graphics interfaces thanks to the Qt software.
This first draft of the project allowed us to understand the system, and to design a first sketch. The tray who support the candies is composed of wood and perforated foam, the M&M’s moving system is made with a robotic arm and a gripper. The robotic arm is a parallel one and the gripper a pump with solenoid valve. The tray can also move in order to assist the gripper. There will be a webcam to view the entire tray and a computer for information display (total and per color M&M’s number, picture to realize …).


Introduction

Au vu des effectifs en baisse de la section Génie Electrique de Polytech Clermont-Ferrand, celle-ci à décidé de redorer son image auprès des étudiants envisageant une école d’ingénieur. C’est de cette idée de mise en avant que le projet ci-présent a été créé.
Mr Sébastien Lengagne est un membre du corps enseignant de Polytech Clermont-Ferrand et plus particulièrement des sections Génie Electrique et Génie Physique. Il a choisi de proposer à ces élèves de quatrième année de travailler sur deux projets, dont celui-ci, qui ont pour butent d’être la vitrine du Génie Electrique lors des portes ouvertes.
Afin de toucher le plus grand nombre, il à été choisi de travailler avec des M&M’s – qui n’aime pas ces chocolats ? Le projet s’intitule de ce fait « Trieur de M&M’s. » Il consiste en la réalisation d’images pixélisées grâce à ces sucreries, le plus rapidement possible, afin de satisfaire les attentes d'un public peu patient.


Présentation du sujet

Le côté ludique du système implique une contrainte en terme d’accessibilité. De ce fait il a été choisi de placer les sucreries de manière visible, sur un plateau, aléatoirement disposé dans des petits slots, et un système de bras robotiser viens par-dessus le plateau, pour les trier, les ré-agencer, afin de former une image simple. Cette image sera faite avec les couleurs disponibles des M&M’ s (six couleurs), et ce sur un carré de 10x10 emplacements (100 pixels au total).
Pour réaliser ce système, deux traitements majeurs en découlent :

une première partie mécanique, qui consistera à designer et à gérer les déplacements d'un bras robotisé (en rouge ci dessous)

l’autre partie traitant une image du plateau par webcam, pour interpréter les mouvements faits/ à faire, agissant ainsi comme « les yeux » du système (en jaune ci dessous)


Cahier des Charges
Le système devra être rapide, pour éviter d’ennuyer les potentiels étudiants par une durée de cycle qui s’avèrerait trop longue. Par ailleurs le système devra être probablement déplacé pour être bien visible sur un stand. Il en résulte le cahier des charges suivant :

Contraintes :

Temps < 5 min, pour un nombre défini de M&M’s (Dans une optique de gain de temps, le nombre initialement prévu de 400 à été réduit à 100, cf Faisabilité)

Transportable dans une valise

poids < 2 kilogrammes.

webcam USB du commerce (prix < 30 euros)

Contrôle sous Linux

Duplicable sur les 4 côtés du plateau

Livrables :
-Système de tri fonctionnel
-Code informatique complet, pour pouvoir retravailler dessus à l’avenir


Developpement
Plateau

Problématique

Il est nécessaire d’avoir un support pour poser les M&M’s, c’est pourquoi il a fallu définir comment les M&M’s sont posés au départ. Par ailleurs, il faudra aussi prendre en compte la taille du plateau (qui influencera le nombre de M&M’s, mais aussi le dimensionnement du bras)

Faisabilité

Les M&M’s doivent former un quadrillage : si les bonbons sont posés de manière anarchique, il sera trop difficile de les déplacer car il peut y avoir potentiellement des M&M’s superposés et la partie visio ne pourra pas repérer s’il y a un ou plusieurs M&M’s a une position

Il faut une surface souple pour ne pas abimer les M&M’s : étant donné que le système fonctionnera pendant une journée entière, il faut éviter d’abimer les bonbons afin qu’ils tiennent jusqu’à la fin

Les M&M’s doivent être stables : lorsqu’on dépose les M&M’s sur le plateau au départ ou après un déplacement de ceux-ci, il ne faut pas qu’ils bougent de leur position. Des trous sont donc réalisés dans la surface souple (la créamousse) afin de déposer les M&M’s dans ceux-ci.

Etude Théorique / Tests

Suite à une batterie de tests, il a été évident que les mouvements du bras sont trop lents pour pouvoir trier dans un si bref délai (5 min). Deux solutions sont alors apparues : repousser la contrainte temporelle à une durée plus longue, ou sous dimensionner le plateau / nombre de chocolats. La vitesse étant une priorité, nous avons donc opté pour la seconde solution, celle-ci permetant par ailleurs de travailler avec un bras plus petit, et donc plus stable dans ses mouvements.

Solutions

Le plateau sera donc composé d’une surface dur en bois (du medium), afin de le fixer, et, par-dessus, une couche de créamousse qui est une surface de quelques millimètres souple. Cela permet d’obtenir une surface de travail qui abimera très peu les M&M’s, même sur une longue journée de fonctionnement.


Bras robotisé

Problématique

Le bras est le cœur du système, la partie émergée de l’iceberg, et est donc la partie qui doit être la plus convaincante. Les M&M’s, devront être déplacés rapidement, et c’est pourquoi il faudra un système fonctionnel, efficace et, dans l’idéal, surprenante.

Faisabilité

Le bras est utilisé pour le déplacement des M&M’s sur le plateau, il est nécessaire qu’il soit manœuvrable sur 3 axes car il faut 2 axes pour le déplacement sur le plateau et un troisième afin de surélever les M&M’s avant de les déplacer. Le problème est donc décomposé en deux parties : le mouvement plan (sur 2 axes) et l’élévation.
Pour le mouvement plan, plusieurs solutions étaient possible : des bras x/y, séries ou parallèles :
- bras x/y : ceux-ci sont très faciles à mettre en œuvre mais ils ne sont pas possibles dans notre cas pour deux raisons : il n’est pas possible de juxtaposer 4 plateaux les uns à côtés des autres, et ce système est beaucoup trop lent.
- bras séries : ils sont également assez simple à mettre en œuvre. Le principal défaut de cette solution est le poids engrangé par le second servomoteur et qui doit donc être pris en compte (le servomoteur fixé au support doit supporter le poids. Cette solution est plus rapide que précédemment est aurait pu convenir.
- bras parallèles : solution permettant la plus grande vitesse de déplacement des M&M’ s. Celle-ci est plus complexe à mettre en œuvre de par sa structure mais elle a un avantage important : il y a très peu de charge sur les bras car les deux servomoteurs sont fixés à la structure.

Néanmoins se bras possède le défaut de ne pas pouvoir s’élever : il ne travaille que sur deux axes. Néanmoins pour l’élévation, il existe plusieurs techniques envisageables :
- Une crémaillère : le bras est monté sur une crémaillère afin de le monter ou le descendre lorsqu’on le souhaite. Ceci est très facile à mettre en place mais il y a encore une fois un problème de vitesse d’exécution.
- troisième servomoteur : celui-ci est placé afin de faire pivoter le bras entier. Le principal défaut est qu’il n’y a pas la même élévation en début ou fin de course du bras et cela est donc à prendre en compte.

Etude Théorique / Tests

A l’aide du logiciel Matlab, nous avons pu déduire que le bras parallèle pouvait couvrir une surface équivalente à celle du plateau dans des conditions convenables, comme nous le montre la simulation suivante (les bordures du plateau sont en bleu) :

Par ailleurs, les tests ont soulignés que le 3ème type de bras (bras parallèles) à une accélération nettement supérieure à celle des deux autres.

Solutions

Au vu des test, le bras parallèle est apparu comme nettement plus rapide. C’est cette solution qui a été choisi car la contrainte de vitesse est très importante. La structure du bras sera doublé afin d’éviter un maximum les oscillations dues à la souplesse des matériaux. Toujours pour des questions de vitesse, le bras sera monté sur un servomoteur afin de l’incliner, car c’est le moyen le plus rapide de soulever le chocolat du plateau.


Préhenseur

Problématique

Le préhenseur va permettre d’attraper les M&M’s. Cette partie est lié au bras car celui-ci va se déplacer vers les M&M’s ou les zones vides et le préhenseur va attraper/lâcher les M&M’s. Le principal défaut des M&M’s est que ceux-ci sont de différentes tailles et formes. Il faut donc prendre cela en compte pour le choix du préhenseur.

Faisabilité

Deux solutions ont été trouvées :
- préhension par pincement : une pince permet d’attraper les M&M’s.
- préhension par aspiration : une pompe aspire les M&M’s est les maintiens. Pour les lâcher rapidement, celui-ci est équipé d’une électrovanne.

Solutions

Au vu des tests, la préhension par aspiration a été choisie car celle-ci sera plus rapide et, lorsque le bonbon est lâché, cette solution est plus précise.


Code informatique

Problématique

Le système a pour finalité de dessiner une image. Un système mécanique n'ayant pas la notion du beau, il faudra enregistrer une banque d'image et/ou convertir des images au bon vouloir de l'utilisateur.

Faisabilité

L'avantage évident de la conversion d’image est l'utilisation d'un format personnalisé, propre au robot. Les images pourront de ce fait être converties selon les formats d'entrée choisis.

Par ailleurs cette solution permettrait aussi la réutilisation de cet algorithme pour créer une banque d'image par défaut, ou encore le traitement de l'image en cours de création. De ce fait le bras robotisé possèderait un retour de son action en cours de déroulement, et optimisera la vitesse et la précision de l'opération.

Etude Théorique / Tests

Des conversions ont donc été réalisées pour obtenir une banque d'image suffisante pour les tests. En découle trois problématiques :
- les couleurs les plus sombres ne peuvent pas ressortir en noir. Il devient alors difficile de nuancer entre le marron et le bleu. Le bleu apparaît souvent efficace mais néanmoins si il est choisi par défaut, le cas de nuances de bleu serait peu efficace (une vague sous un ciel bleu serait convertie uniquement en bleue).
- Les limites d’orange (jaune/orange, orange/rouge, orange/marron) sont floues, ce qui se traduit par des arêtes pourtant vives mal traduites. On le voit lors de la conversion, par exemple de la célèbre image de Lena ci-dessous : les murs aux couleurs orange douces peuvent sortir soit chaudes en jaune et orange ou plus froides, entre marron et orange, ce qui fait ressortir le visage dans les nuances de rouge.

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P1.pdf (537 KB) axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:24 AM

RAO.pdf (428 KB) axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:24 AM

RapportGe4a.pdf (362 KB) axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:25 AM

code.zip (158 KB) axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:25 AM

Optimisation de mouvements pour la reorganisation d_images - Jean-Ferreol de Villeneuve.pdf (1.73 MB) axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:27 AM

P15AB12_fig5_20150623101652_20150623113303.png (41.8 KB) axel BARRIEUX, 04/02/2021 11:29 AM